Avant Robot 185 : Purkurobotin kehittäminen ja sähkösuunnittelun tarkastaminen tuotantoa varten

AVANT ROBOT 185

Purkurobotin kehittäminen ja sähkösuun- nittelun tarkastaminen tuotantoa varten

Juuso Tikka

Opinnäytetyö Toukokuu 2013 Sähkötekniikka Älykkäät koneet

TIIVISTELMÄ

Tampereen ammattikorkeakoulu Sähkötekniikan koulutusohjelma

Älykkäät koneet suuntautumisvaihtoehto TIKKA, JUUSO:

Avant robot 185

Purkurobotin kehittäminen ja sähkösuunnittelun tarkastaminen tuotantoa varten Opinnäytetyö 52 sivua

Toukokuu 2013

Tämän opinnäytetyön tilasi Avant Tecno Oy. Työ keskittyi Avant Robot 185 purkuro- bottiin, joka on heidän uusin tuotteensa. Työn tarkoituksena oli kehittää robottia ja tar- kistaa robotin sähkösuunnittelu ennen tuotantoa.

Sähkösuunnittelu tarkastettiin yleisesti, olisiko sähkösuunnittelua tarpeellista muuttaa tai tehdä jokin toisin. Lisäksi sähkösuunnitelma tuli tarkastaa, noudattivatko suunnitel- mat standardia CEN/TS 13778 ”Mobile demolition machinery. Safety requirements”.

Avant Tecno Oy oli myös kiinnostunut 15 kW:n ja 18,5 kW:n moottoreiden sähköver- kosta ottamista virroista sekä näihin liittyvistä sulakesuojauksista.

Virran mittauksia varten koneille suoritettiin kokeet, joissa koneita kuormitettiin murs- kaamalla betonia. Kuormituksen aikana koneista mitattiin virtaa, hydraulista tilavuus- virtaa sekä painetta. Molemmista koneista mitattiin lisäksi käynnistysvirrat. Käynnis- tysvirtoja mitattaessa pehmokäynnistimeltä kokeiltiin erilaisia käynnistysramppeja.

Kuormituskokeet osoittivat koneiden olevan erisuuruisilla kuormituksilla, mikä vääristi mittaustuloksia.

Purkukone noudatti sähkösuunnittelultaan standardeja eikä sähkösuunnittelussa havaittu epäkohtia, joita tarvitsisi muuttaa. Opinnäytetyön aikana esille tuli muutama kehitysidea robotin kehittämiseen. Ideoita, joita robottiin voitaisiin soveltaa, olivat muun muassa näytön siirtäminen kauko-ohjaimeen, automaattinen vaiheenkääntäjä ja akkuvarmennus.

Asiasanat: tuotekehitys, sulakesuojaus, standardi, sähkösuunnitelma

ABSTRACT

Tampereen ammattikorkeakoulu

Tampere University of Applied Sciences Degree programme in Electrical Engineering Option of Intelligent Machines

TIKKA, JUUSO:

Avant Robot 185

Development of Demolition Robot and Inspecting Electrical Planning for Production Bachelor's thesis 52 pages

May 2013

This thesis was ordered by Avant Tecno Oy. The thesis concentrates on Avant Robot 185 demolition robot, which is their newest product. The aim of this thesis was to de- velop robot and inspect robots the electrical plans of the robot before production.

Electrical plans were inspected generally to see if there is anything that should be changed or could be done better. In addition, electrical plans needed to check if they obey standard CEN/TS 13778 “Mobile demolition machinery. Safety requirements.”

Avant Tecno Oy was also interested in 15 kW and 18,5 kW electrical motors power consumption and fuse protection related to power consumption.

For the measurement of power consumption we accomplished load tests for the ma- chines, where we put load to the motors by demolishing concrete with hammer. Beside power, also hydraulic volume flow and pressure were measured during load tests. Start- ing currents were also measured from both machines. From the load tests we noticed that the loads to motors were different, which distorted measurements.

The demolition robot obeyed standards from its electrical plans, and there was nothing that should have changed. During this thesis, a few development ideas appeared for the robot to be developed, such as like moving the display from back of the robot to the remote controller, automatic phase order changer and battery backup.

Key words: Product development, fuse protection, standard, electrical plan

SISÄLLYS

1 JOHDANTO ... 7

2 TAUSTATIETOJA YRITYKSESTÄ ... 8

2.1 Avant tecno Oy ... 8

2.2 Leguan lifts Oy ... 8

3 AVANT ROBOT 185 ... 9

3.1 Yleistä ... 9

3.2 Toiminta ... 10

4 CEN/TS 13778:2004 ... 11

5 EMC-MITTAUKSET ... 13

6 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ ... 14

6.1 Teoria ... 14

6.1.1 Oikosulkumoottori ... 14

6.1.2 Pehmokäynnistin ... 16

6.1.3 Sulakesuojaus ... 17

6.2 Purkurobotin sähköjärjestelmä ... 22

6.2.1 Komponenttien sijoitus ... 22

6.2.2 Purkurobotin sähkömoottori ... 23

6.2.3 Purkurobotin pehmokäynnistin ... 25

6.2.4 Käyttöliittymä ... 27

6.2.5 CANOpen ... 27

7 HYDRAULIIKKA ... 30

7.1 Pumppu ... 30

7.2 Liikkeiden ohjaus ... 32

7.3 Jäähdytyspiiri ... 33

7.4 Ajomoottorit ... 33

8 JÄRJESTELMÄN OTTAMAN VIRRAN MITTAUS ... 35

8.1 Työn taustatieota ... 35

8.2 Käynnistysvirrat ... 36

8.2.1 15 kW koneen käynnistysvirta ... 36

8.2.2 18 kW koneen käynnistysvirta ... 37

8.3 Kuormitusvirrat ... 38

8.3.1 15 kW koneen kuormituskoe ... 38

8.3.2 18,5 kW koneen kuormituskoe ... 39

8.4 Johtopäätöksiä mittauksista ... 40

8.4.1 Moottoreiden kuormitus ... 40

8.5 Ratkaisut ... 42

8.5.1 Moottoreiden ylikuormituksen estäminen ... 42

8.5.2 Sulakesuojaus ... 43

9 KEHITYSIDEOITA ... 45

9.1 Näytön siirtäminen kauko-ohjaimeen ... 45

9.2 Akkuvarmennus ... 45

9.3 Moottorinsuojakatkaisija ... 48

9.4 Automaattinen vaiheenkääntäjä ... 48

9.5 Moottorin hätäpysäytys ... 49

10 POHDINTA ... 50

10.1Moottoreiden ottamat virrat ... 50

10.2Huollettavuus ja uusi pehmokäynnistin ... 50

10.3Moottorinsuojakatkaisija ... 50

LÄHTEET ... 51

LYHENTEET JA TERMIT

AI Analogiasisääntulo

CAN Controller Area Network

CANOpen Väyläprotokolla

CEN Eurooppalainen standardoimisjärjestö

CoDeSYS 3S logiikkaohjelmointi ohjelma

DI Digitaalisisääntulo

DO Digitaaliulostulo

EMC Sähkömagneettinen yhteensopivuus

FB Feedback

Frame Koneen runko

HMI Kauko-ohjaimen lähetin

I/O Siirräntä

LS Kuorman tunteva säätö

PLC Ohjelmoitavalogiikka

PWM Pulssinleveysmodulaatio

RMI Kauko-ohjaimen vastaanotin

TOR Top Of Ramp

Tower Koneen torni/pyörivä osa

1 JOHDANTO

Työkoneiden tulee vastata tänä päivänä yhä vaativampiin haasteisiin. Koneista halutaan tuottavampia ja niiden tulee tehdä tarkempaa työtä. Nämä kriteerit lisäävätkin automaa- tion määrää koneissa.

Myös rakennusten purkutöissä on alettu käyttämään viime vuosina työtä helpottavia koneita. Eräs näistä on tässä opinnäytetyössä käsiteltävä Avant Robot 185. Purkurobotti helpottaa, nopeuttaa ja tekee turvallisemmaksi purkutyötä. Koneen käyttäjä voi seistä etäällä koneesta kauko-ohjaimen kanssa, mikäli on olemassa esimerkiksi sortumisvaara.

Koska robotti on täysin sähkökäyttöinen, se ei aiheuta pakokaasujakaan haitaksi ahtaille purkutyömaille. Robotti tekee purkutyöstä tarkkaa, helppoa ja vaivatonta, sillä purku- työntekijä voi sujuvasti ohjata robottia kauko-ohjaimen avulla

Koska purkutöissä olosuhteet ovat ankarat, asettaa tämä omat edellytyksensä koneelle.

Esimerkiksi purkutöillä vallitseva pöly vaatii hyvän kotelointisuojauksen sähköisiltä komponenteilta. Lisäksi isot kivet ja muut sortuessa lentävät betonilohkareet vaativat koneelta kestävää suojausta, jotteivät koneen sisällä sijaitsevat komponentit vaurioidu.

Tässä työssä tutkitaankin olisiko robotin komponentteja mahdollista sijoittaa uusiksi niin, että ne ovat helposti huollettavissa, mutta edelleen hyvin suojattuina.

Työssä perehdytään myös purkurobotin muihin tällä hetkellä havaittuihin ongelmiin.

Tarkoituksena on miettiä muun muassa onko robottiin saatavaa isompaa 18,5 kW moot- toria mahdollista kytkeä pienemmän sulakekoon taakse. Työssä mietitään myös muita kehitysideoita purkurobotille. Lisäksi työssä tutkitaan noudattaako purkurobotti stan- dardia CEN/TS 13778:2004 ennen kuin sen tuotanto aloitetaan. Kyseinen standardi määrittelee turvamääräykset siirrettäville purkukoneille.

2 TAUSTATIETOJA YRITYKSESTÄ

2.1 Avant tecno Oy

Tämän opinnäytetyön tilasi Leguan lifts Oy, joka on Avant tecno Oy:n tytäryhtiö. Le- guan lifts valmistaa pieniä henkilönostimia, mutta laajentaa nyt tuotevalikoimaansa purkurobotteihin.

Avant tecno Oy valmistaa pienikuormaajia. Yritys aloitti toimintansa vuonna 1991 ja sen tehdas toimii Ylöjärvellä. Lisäksi yrityksellä on omat myyntiyhtiöt Saksassa, Isossa- Britanniassa ja USA:ssa. Maahantuojia yrityksellä sen sijaan on yli 40 maassa ympäri maailmaa. Avantin vienti ulottuukin aina Australiasta Amerikkaan kattaen lähes kaikki Euroopan maat. (Avanttecno 2013)

Kuormaajat valmistetaan Ylöjärven tehtaassa sarjatuotantona, missä ne testataan ja koe- ajetaan ennen toimitusta asiakkaalle. Ylöjärvellä sijaitsee myös Avantin tuotekehitys- osasto, missä syntyvät Avantin innovatiiviset ratkaisut, jotka tekevätkin Avantista hyvin tunnetun merkin pienkuormaajien valmistajana. Yritys on tällä hetkellä markkinajohtaja maailmalla omapainoltaan alle 2000 kg kuormaajien joukossa. (Avanttecno 2013)

2.2 Leguan lifts Oy

Leguan lifts on osa Avant Group -konsernia ja se sijaitsee Avantin tavoin Ylöjärvellä.

Leguan lifts valmistaa liikuteltavia henkilönostimia. Yritys on perustettu vuonna 1990 ja sen ensimmäinen henkilönostin tuotiin markkinoille jo vuonna 1994. (Leguan lifts 2013)

Leguan liftsin tuotevalikoimaan kuuluu niin puomi- kuin saksityyppisiä henkilönosti- mia. Henkilönostimet ovat suosittuja esimerkiksi rakennustyömailla muun muassa nii- den erinomaisen liikuteltavuuden vuoksi. (Leguan lifts 2013)

Kaikki Leguan lifts Oy:n tuotteet valmistetaan Avant tecno Oy:n tavoin Ylöjärvellä ja niitä toimitetaan ympäri maailmaa.(Leguan lifts 2013)

3 AVANT ROBOT 185

3.1 Yleistä

Kyseessä on pieni tela-alusteinen purkurobotti, jossa on ympäripyörivä torni. Torni on varustettu nelinivelisellä puomilla, jonka päähän voidaan kiinnittää erilaisia hydrauli- työkaluja, kuten iskuvasara, pihdit tai kauha. Kone on täysin sähkökäyttöinen ja sitä voidaan ohjata kauko-ohjaimella joko langallisesti tai langattomasti. (Ei julkinen lähde)

Robotin lähtökohta on alun perin Finmac Demolition Oy:n valmistama Finmac F16.

Robotin suunnittelussa on ollut mukana useita yrityksiä. Suunnittelun ja muotoilun oli- vat tehneet insinööritoimisto Dowaline Oy ja Continum Oy. Koneen ohjauksesta vastaa Epec Oy, telasto oli Ab A Häggblom Oy:n valmistama ja radio-ohjauksen on hoitanut Technion Oy. Kaikki muu robotissa on siis kotimaista paitsi hydrauliikkapuoli, jonka komponentit ovat muun muassa Parkerin. (Päiviö Olli 2013)

Finmac Demolition Oy:n mennessä konkurssiin, osti Avant tecno Oy laitteen. Laitetta on sittemmin suunniteltu valtaosin uudelleen ja sen viimeisemmät sähkökuvat on piirtä- nyt Stroman Oy (Lehtinen R. 2013). Kuvassa 1 on esitetty kuva Avant robot 185:stä.

KUVA 1. Avant robot 185 (Avant robot 185 esite)

3.2 Toiminta

Robotti on täysin sähkökäyttöinen. Käyttövoimansa se saa sähkömoottorilta, joka pyö- rittää säädettävää hydrauliikkapumppua. Moottorivaihtoehtoina ovat joko 15 kW tai 18,5 kW sähkömoottori. Moottorin käyttöjännite on 400 V, jonka moottori saa kolmi- vaihepistorasiasta. Moottori käynnistetään pehmokäynnistimen avulla. Koneen ohjaus- järjestelmän jännitteenä toimii 24 V tasajännite, joka saadaan koneeseen syötettävästä käyttöjännitteestä hakkurivirtalähteen kautta. (Ei julkinen lähde)

Robotin hydraulijärjestelmän työpaine on 250 bar ja tuotto 66 l/min. Hydraulijärjestel- män sydämenä toimii Sauer danfoss:n valmistama säätyvä mäntäpumppu. Konetta voi- daan liikuttaa telahihnojen avulla, jotka saavat käyttövoimansa hydraulimoottoreista.

Kone muodostuu korista ja sen päällä olevasta ympäripyörivästä tornista, joka nähdään kuvasta 2. Torniin on kiinnitetty puomisto, missä sijaitsevat myös sen venttiilit. Puomin päähän voidaan kiinnittää erilaisia hydrauliikkatyökaluja, kuten iskuvasara, kaivin tai pihdit. Koneen runkoon on sijoitettu sähkömoottori, hydraulipumput ja venttiilit, jotka ohjaavat muun muassa koneen rungossa olevia tukijalkoja. Koneen kaikkia toimintoja voidaan ohjata kauko-ohjaimesta. (Ei julkinen lähde)

KUVA 2. Yleiskuva koneesta ja sen osista (Ei julkinen lähde)

Robotin maksiminopeus on 2,8 km/h ja siinä on viisi eri nopeusaluetta. Kone ylettyy 5,2 m päähän korkeussuunnassa ja 4,5 m päähän vaakasuunnassa. Koneen kuivapaino on 1850 kg. (Avant Robot 185 esite)

4 CEN/TS 13778:2004

Purkukoneilla on oma Euroopan Unionin määrittelemä standardi, joka asettaa turvamää- räykset purkukoneille. Standardi käsittelee yleisiä turvamääräyksiä koneille, kuten ope- raattorin sijainnista, pölystä, melusta, muista yleisistä vaaroista. Standardi kertoo muun muassa mitkä testit koneelle on tehtävä ennen sen tuotantoa ja mitä kaikkea informaa- tiota koneesta on tiedotettava käyttäjälle. Standardi käsittää kone- ja hydrauliikkapuolen asetusten lisäksi myös koneen sähköjärjestelmän vaatimukset.

Standardin CEN/TS 13778:2004 mukaan purkukoneen alustan tulee täyttää standardin EN 474-1:1994 maansiirtokoneiden turvallisuuden yleisten vaatimuksien kohdan 4.13.

Standardi määrittelee yleisellä tasolla johtimien sijoittamisesta ja valinnasta niin, että ne kestävät ympäristön olosuhteet. Lisäksi sulakkeet tulee sijoittaa niin, että kaikki varoi- tusjärjestelmät eivät voi tulla toimintakyvyttömiksi samanaikaisesti. Koneessa tulee olla myös pistorasia huollossa ja kunnossapidossa tarvittavaa valaisinta varten. (EN 474- 1:2009, 27, 28)

Purkukoneen sähköiset komponentit tulee asentaa standardin EN 60204-1:1992 konei- den sähkölaitteiston yleisten vaatimusten pykälien 4, 5, 6, 14, 15 ja 16 mukaisesti. Stan- dardi asettaa koneelle yleisiä vaatimuksia, kuten sähkölaitteiston komponenttien tulee olla sopivia niiden tarkoitettuun käyttöön ja IEC-standardin mukaisia. Sähkölaitteisto tulee suunnitella niin, että se toimii oikein standardin sallimien sähkönsyötön rajoissa.

Laitteen tulee myös kestää sitä käytettävissä ympäristöolosuhteissa. (EN 60204-1:2006, 39-48)

Standardi suosittelee, että kone yhdistetään yhteen syöttöön, mikäli se on mahdollista.

Mikäli toiselle syötölle on tarvetta, tulisi se toteuttaa erillisellä muuntajalla, tai suuntaa- jalla. Syötön vaihejohtimien liittimien läheisyydessä tulee olla liitin, joka mahdollistaa koneen kytkemisen ulkoiseen suojamaadoitusjärjestelmään tai suojajohtimeen syötön jakelujärjestelmästä riippuen. Koneessa tulee olla myös syötönerotuskytkin, joka tulee olla IEC-standardin mukainen. Odottamaton käynnistyminen tulee estää poiskytkentä- laitteella, joka on osaltaan soveltuva tähän tarkoitukseen (EN 60204-1:2006, 48-56).

Sähkölaitteisto tulee suojata suorasta ja epäsuorasta kosketuksesta saatavalta henkilöi- hin kohdistuvilta sähköiskuilta. Sähkölaitteisto tulee suojata koteloinnilla, joka estää asiattomien pääsyn jännitteisiin osiin. Pistotulpan irrottamisen jälkeen näkyville jäävien tappien jäännösjännitteen tulee purkautua alle 60 V yhdessä sekunnissa. Laitteisto tulee suojata kosketusjännitteiltä joko käyttämällä luokan II sähkölaitteita tai käyttämällä syötön automaattista poiskytkentää (EN60204-1:2006, 56-64)

Koneen sähkömoottoreiden tulee olla standardisarjan IEC 60034 vaatimusten mukaisia.

Moottori tulee varustaa ylivirtasuojalla, jonka mitoituskatkaisukyky on vähintään vika- paikalla olevan vikavirran suuruinen. Kuitenkin huomioiden moottorin tarvitseman käynnistysvirran. Yli 0,5 kW moottorit on varustettava ylilämpenemissuojalla, kuten lämpötilasuojauksella. Moottorin koteloinnin tule noudattaa standardia IEC 60034-5 ja moottori tulee asentaa kunnolliseen moottoritilaan, jossa kunnollinen tuuletus (EN 60204-1:2006, 143-148).

Mikäli koneessa on erillinen pistorasia, tulee sen olla standardin IEC 60309-1 mukai- nen. Pistorasia tulee varustaa vikavirtasuojalla sekä johdonsuojakatkaisijalla. Kone on varustettava tarvittavilla varoituskilvillä ja niiden on kestettävä ympäristön aiheuttamat fyysiset rasitukset. Kotelot, jotka eivät selvästi osoita sisältävänsä sähköiskun riskin, tulee varustaa standardin IEC 60417-5036 mukaisella varoitusmerkillä. Lisäksi laitteisto tulee varustaa nimikilvellä (EN 60204-1:2006, 148-152).

5 EMC-MITTAUKSET

Standardi määrittelee myös, että purkukoneelle on tehtävä standardin EN 13309 mukai- set EMC-mittaukset. Kyseinen standardi käsittelee purkukoneille asetettuja säädöksiä liittyen sähkömagneettiseen säteilyyn ja EMC-mittauksiin, joilla valmistaja takaa lait- teen olevan soveltuva EU:n markkinoille. Opinnäytetyötä käsittelevälle purkurobotille ei ole tehty EMC-mittauksia ja ne tulisi suorittaa standardin EN 13309 mukaisesti (EN 13309:2010,5).

EMC-mittaukset tulee suorittaa laitteille, jotka koostuvat erilaisista sähköisistä kom- ponenteista. Laitteen tulee sietää ulkoista sähkömagneettista säteilyä ilman toiminnalli- sia häiriöitä. Tämän lisäksi laite itsessään ei saa lähettää liikaa säteilyä ympäristöönsä.

Testit tulee tehdä tähän soveltuvalla laboratoriolaitteistolla häiriösuojatussa tilassa. Kun sähkö-/elektroniikka-kokoonpanon testit suoritetaan, tulee tarkastella kaapeloinnin vai- kutuksia, jotka yhdistävät osakokoonpanon laitteistoon (EN 13309:2010,5)

Laajakaistaiselle säteilylle tulee tehdä mittaukset standardin EN 13309 liitteen D mu- kaisesti. Liitteessä ohjearvoiksi säteilylle annetaan 64 dB (1600μV/m) 30 MHz:llä ja 54 dB (500μV/m) 75 MHz:llä. Kapean kaistan säteily tulee tehdä liitteen E mukaisesti ja ohjearvoiksi annetaan 34 dB (50μV/m) 30 MHz:stä 75 MHz:iin. Molemmissa mittauk- sissa mittauspisteen tulee olla yhden metrin etäisyydellä laitteen rungosta (EN 13309:2010, 22,23,41)

Laitteelle tulee tehdä lisäksi testit ulkoisilta häiriöiltä, jottei koneen elektroniikka häi- riinny ja aiheuta vaaratilanteita. Ulkoisten häiriöiden aiheuttama testaus tulee suorittaa standardien ISO-11451-1 ja ISO 11451-2 määrittelemillä pitkittäisellä ja poikittaisella polarisoinnilla (EN 11309:2010, 11). EMC-mittaukset voi suorittaa näitä suorittavassa yrityksessä.

6 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ

6.1 Teoria

6.1.1 Oikosulkumoottori

Epätahtikone koostuu staattorista ja sen keskellä sijaitsevasta roottorista. Staattori on tehty rautalevystä, jonka urissa on staattorikäämitys. Staattorikäämitys taasen koostuu käämeistä, jotka ovat staattorin ympärille kierrettyä kuparijohdinta. Myös roottori muo- dostuu käämeistä ja sen käämitystä kutsutaan häkkikäämitykseksi. Roottorin häkkikää- mitys koostuu sauvoista, jotka ovat oikosuljettu molemmista päistä (Hietalahti 2011, 59,60). Kuvassa 3 on esitetty oikosulkumoottorin räjäytyskuva.

KUVA 3. Oikosulkumoottorin räjäytyskuva (Hietalahti 2011, 59)

Kun staattoriin johdetaan vaihtovirtaa, muodostaa se vaihtelevan magneettikentän oi- kosulkumoottorin sisälle. Kolmivaihejärjestelmässä vaihevirrat ovat 120° keskinäisessä vaihesiirrossa. Vaiheiden positiivisten ja negatiivisten puolijaksojen vuorotellessa, saa kunkin vaihekäämin magneettikenttä suunnanmuutoksen S- ja N-napojen vaihtuessa.

Vaihesiirrosta aiheutuva pyörivä magneettikenttä alkaa lävistää roottorisauvoja, joihin

indusoituu jännite. Näin staattorin magneettikentässä oleva energia välitetään roottoriin ilman galvaanista yhteyttä, josta tulee nimitys induktiomoottori. Staattorikäämin mag- neettivuo aiheuttaa oikosuljettuun roottorihäkkiin lähdejännitteen. Lähdejännite taasen aiheuttaa oikosuljettuun roottorihäkkiin virran. Roottorivirran ja staattorikentän välille syntyy voimavaikutus. Tämä voima saa roottorin liikkeelle, mikäli vääntömomentti on kuormamomenttia suurempi (Hietalahti 2011, 55, 60). Kuvassa 4 on esitetty periaateku- va kolmivaihekäämityksen rakenteesta ja niiden aiheuttamista magnetomotorisista voi- mista. Kuvan tilanteessa koneen sisällä vaikuttava magneettivuo suuntautuu oikealta vasemmalle.

KUVA 4. Roottorin ja staattorin väliset magnetomotoriset voimat (Hietalahti 2011, 55)

Roottorin pyörimisnopeuden kasvaessa, pienenee staattorikentän ja roottorisauvojen leikkausnopeus. Leikkausnopeuden pienentyessä, pienenevät myös roottorikäämin jän- nite ja virta, jolloin myös sähköinen vääntömomentti pienenee. Roottorin pyörimisno- peus riippuu moottorin staattorin napapariluvuista. Napapariluku on riippuvainen siitä, kuinka staattorin vastinparit ovat sijoiteltu (Hietalahti 2011, 55).

Roottori pyrkii aina saavuttamaan staattorin pyörimisnopeuden. Roottorin pyörimisno- peus jää kuitenkin aina staattorikentän pyörimisnopeutta pienemmäksi. Mikäli näin ei olisi, ei moottori pyörisi. Tästä johtuvaa roottorin ja staattorin suhteellista erotusta kut- sutaankin jättämäksi (Hietalahti 2011, 60).

6.1.2 Pehmokäynnistin

Koska oikosulkumoottorin käynnistysvirta voi olla suoraan verkkoon kytkettynä jopa 6- 7 kertainen moottorin nimellisvirtaan verrattuna, käytetään moottorin käynnistämiseen pehmokäynnistintä. Lisäksi pehmokäynnistin estää pumpulta hydrauliikkajärjestelmään välittyvät suuret paineiskut, kun moottoria ei käynnistetä täydellä momentilla. Pehmo- käynnistimellä voidaan myös suorittaa pehmopysäytys, jolloin pumppu sammutetaan hallitusti, jolloin vältytään myös paineiskuilta hydrauliikkajärjestelmän puolelle. ABB suosittelee käyttämään pumppusovelluksissa perusasetuksina käynnistysaikana kym- mentä sekuntia, pysäytysaikana 20 sekuntia ja lähtöjännitteenä 30 %. (Pehmokäynnis- tinopas 2007, 17).

Pehmokäynnistin muodostuu päävirtapiirissä sijaitsevista vastarinnankytketyistä tyristo- reista. Tyristoreilla säädetään moottorin jännitettä. Kun moottorin jännite on matala, pysyy myös virta matalana, eikä käynnistysvirta nouse hallitsemattomaksi. Käynnistys- vaiheessa tyristorit päästävät aluksi vain osan jännitteestä läpi säätämällä sytytyskul- maa. Jännitteen läpäisyä kasvatetaan asetetun käynnistysramppiajan mukaisesti kunnes tyristorit ovat kokonaan johtavia. (Pehmokäynnistinopas 2007, 43) Kuvassa 5 on esitet- ty periaatteellinen kuva tyristorin jännitteen säätämisestä.

KUVA 5. Periaatekuva tyristorin jännitteen säätämisestä (Pehmokäynnistinopas 2007, 43)

6.1.3 Sulakesuojaus

Sähköturvallisuusstandardien mukaan virtapiirit täytyy varustaa pääsääntöisesti ylivir- tasuojilla, jotka suojaavat johtoja ja kojeita ylivirralta. Virtapiirissä on silloin ylivirtaa, kun virta piirissä on johtimen tai laitteen nimellisvirtaa suurempi. Virta on suurimmil- laan silloin, kun vaihejohdin ja nollajohdin ovat suorassa kosketuksessa. Tätä virtaa kutsutaan oikosulkuvirraksi. Muuta nimellisvirtaa suurempaa virtaa kutsutaan ylikuor- mitusvirraksi (Ahoranta 2005, 114).

Ylivirtasuojia kutsutaan joko ylikuormitus- tai oikosulkusuojaksi riippuen suojataanko piirin johtimia ja kojeita ylikuormitusvirralta vai oikosulkuvirralta. Oikosulkusuoja toi- mii oikosulkuvirtojen katkaisussa ja se toimii mahdollisimman nopeasti. Yleensä oi- kosulkusuojaus toimii vasta, kun virta on hyvin suuri. Ylikuormitussuoja toimii, kun virta on normaalia kuormitusvirtaa suurempi. Toisinkuin oikosulkusuoja, ylikuormitus- suoja toimii vasta kun johdon lämpötila on ylittämässä sallitun arvon. Yksi ja sama suo- jalaite voi toimia sekä ylikuormitussuojana että oikosulkusuojana. Suojalaitteen tulee toimia sellaisella jännitteellä, virralla ja sellaisessa ajassa, jotka riittävät suojaamaan virtapiiriä ja toimivat piirin nimellisessä tilanteessa (Ahoranta 2005, 114)

Sulake on sähkövirtapiirin passiivinen laite, joka koostuu metallilangasta, joka on su- lakkeen sisällä. Piirin virta kulkee sulakkeen läpi, eli metallilangan lävitse. Metallilan- gan paksuus on valittu siten, että tietyn suuruisella virran arvolla metallilanka palaa ja näin aiheuttaa katkoksen piiriin, jolloin virrankulku katkeaa. Sulakkeissa on erilaisia indikaattoreita, jotka ilmaisevat sulakkeen palamisen (Ahoranta 2005, 114).

Yleisimpiä sulakkeita kiinteistöissä on tulppasulakkeet, joka on esitetty kuvassa 6.

Tulppasulake muodostuu kuparilangasta tai nauhasta, jota ympäröi kvartsihiekka. Tulp- pasulake soveltuu sekä ylikuormitussuojaksi, että oikosulkusuojaksi. Kahvasulake on rakenteeltaan tulppasulaketta muistuttava. Kahvasulake soveltuu erittäin hyvin suojaa- maan piiriä oikosululta sen katkaisuominaisuuksien vuoksi. Kahvasulakkeet soveltuvat isommille virroilla ja jännitteille, kuin tulppasulakkeet (Ahoranta, 2005 116).

KUVA 6. Tulppasulake sekä varokepesä (Ahoranta 2005, 115)

Sulakkeita valmistetaan eri kuormitustyypeille ja ne erotetaan kaksikirjaimisella käyttö- luokkatunnuksella. Sulakkeen käyttöluokkatunnuksen ensimmäisenä oleva pieni g- kirjain tarkoittaa, että sulake soveltuu sekä oikosulku- ja ylikuormitussuojaksi ja sen katkaisukyky käsittää koko virta-alueen. Toisin kuin pieni a-kirjain sulakkeessa tarkoit- taa, että sulake soveltuu ainoastaan oikosulkusuojaksi ja sen katkaisukyky käsittää tie- tyn osa-alueen. Käyttöluokkatunnuksen toisena kirjaimena voidaan käyttää esimerkiksi G-kirjainta, jolloin sulakkeen tyyppi on nopea. M-tyypin sulake taas on tyypiltään hidas ja sopii näin esimerkiksi moottoripiirin kaltaisen induktiivisen kuorman suojaamiseen.

R-tyypin sulake on erittäin nopea ja soveltuu muun muassa tehopuolijohteiden suojauk- seen (Ahoranta 2005, 116).

TAULUKKO 1. Tulppa- ja kahvasulakkeiden tyypit

Kirjain Käyttö

g oikosulku- ja ylivirtasuojaksi soveltuva sulake a oikosulkusuojaksi soveltuva sulake G Johdon suojaukseen tarkoitettu suojaus

M Moottoripiirien suojaus

R Puolijohteiden suojaus

Kahvasulakkeilla toiminta-ajat ovat pidempiä, kuin esimerkiksi johdonsuojakatkaisijoil- la. Kuvasta 7 voidaan nähdä, että 32 A gG-sulake kestää 100 A oikosulkuvirtaa 5 se- kunnin ajan. Kuvasta nähdään, että pienillä ylikuormitusvirroilla sulake palaa hyvin hitaasti.

KUVA 7. 500 V nimellisjännitteellisten gG-kahvasulakkeiden toiminta-ajat (ABB kah- vasulakkeet, 25)

Nykyään sulakesuojaus toteutetaan johdonsuojakatkaisijoilla eli automaattisulakkeilla.

Johdonsuojakatkaisin voi toimia sekä oikosulkusuojana että ylikuormitussuojana. Joh- donsuojakatkaisijassa on hidas termisen ylikuormituksen kestävä bimetalliliuska. Stan- dardi vaatii, että bimetalliliuskan täytyy kestää laukeamatta 1,13-kertaista nimellisvirtaa tunnin ajan, mutta sen tulee laueta 1,45-kertaisella nimellisvirralla alle tunnissa. Joh- donsuojakatkaisijoissa on myös sähkömagneetti, joka toimii suurella virralla oikosulku- tilanteessa nopeasti. Lisäksi johdonsuojakatkaisijalla voidaan katkaista piiri yksinkertai- sesti kääntämällä ohjausvipua (Ahoranta 2005, 117)

KUVA 8. 1- ja 3-napainen johdonsuojakatkaisija (Ahoranta 2005, 117)

Kuten sulakkeitakin, on myös johdonsuojakatkaisijoille eri kuormitustyypeille tarkoitet- tuja nimellisvirraltaan samansuuruisia johdonsuojakatkaisijoita. Tyyppejä on neljää eri ryhmää ja ne ovat A-,B-,C- ja D-ryhmät. Kaikilla ryhmillä on toisistaan poikkeavat lau- kaisukäyrät. A-ryhmän johdonsuojakatkaisijaa käytetään puolijohteiden suojaamiseen ja sen pikalaukaisu ei saa toimia kaksinkertaisella nimellisvirralla, mutta sen tulee toimia kolminkertaisella sysäysvirralla. B-ryhmän johdonsuojakatkaisijoita käytetään resistii- visissä kuormissa, joiden käynnistysvirta ei ole suuri. B-tyypin johdonsuojakatkaisijoi- den toimintarajat ovat 3 x In ja 5 x In. C-johdonsuojakatkaisijoita käytetään resistiivisten kuormien, mutta lievästi induktiivisten kuormien suojaamiseen. C-tyypin toimintarajat ovat 5 x In ja 10 x In. D-tyypin toimintarajat ovat 10 x In ja 20 x In. Lisäksi on olemassa Z-tyypin johdonsuojakatkaisijoita, joilla suojataan myös puolijohteita sekä K-tyypin johdonsuojakatkaisijoita, jotka kestävät C-tyyppiä paremmin käynnistysvirtoja (Ahoran- ta 2005, 118)

TAULUKKO 2. Johdonsuojakatkaisijoiden ryhmät

Ryhmä Käyttö Toimintaraja

A Puolijohteet 2x In ja 3 x In.

B Resistiivinen kuorma 3 x In ja 5 x In.

C Resistiivinen lievästi induktiivinen kuorma 5 x In ja 10 x In. D Induktiivinen ja kapasitiivinen kuorma 10 x In ja 20 x In.

Kuvassa 9 on esitetty B-, C- ja D-tyypin johdonsuojakatkaisijoiden toimintakäyrät. 32 A johdonsuojakatkaisija kestää tunnin ajan 1,13-kertaista nimellisvirtaa eli 36,16 A, ennen termisen laukaisun tapahtumista. Kuvasta nähdään, että B-tyypin johdonsuojakatkaisija on nopein näistä kolmesta johdonsuojakatkaisijasta (Ahoranta 2005, 118)

KUVA 9. B-,C- ja D-tyypin johdonsuojakatkaisijan toimintakäyrä (Hager johdonsuoja- katkaisimet, 692)

Tulppasulakkeet kestävät nimellisjännitettä 500 V asti ja katkaisukyky on usein 20 kA tai yli. Kahvasulakkeilla nimellisjännitekestoisuus on taasen 690 V ja niiden katkaisu- kyky on vähintään 50 kA. Johdonsuojakatkaisijoilla arvot ovat hieman pienemmät ja nimelliskatkaisukyky jää usein vain 6 tai 10 kA ja nimellisjännite on usein 400 V Aho- ranta 2005, 118).

Ylivirtasuojana käytetään myös mekaanista moottorinsuojakatkaisijaa suojaamaan moottoria ylivirralta. Moottorinsuojakatkaisijassa on kolminapainen kosketinyksikkö, lämpörele ja pikalaukaisin. Moottorinsuojakatkaisin muistuttaa hieman johdonsuojakat- kaisimen toimintaa. Kuten johdonsuojakatkaisijassa myös moottorinsuojakatkaisijassa koskettimet voidaan avata ja sulkea manuaalisesti käyttökytkimellä. Automaattisesti koskettimet avaa lämpörele tai sähkömagneetti, mikäli moottorille menee liian suurta virtaa (Ahoranta 2005, 119)

Toisin kuin johdonsuojakatkaisija, moottorinsuojakatkaisijassa sen lämpöreleen toimin- tavirta asetellaan tietyllä virta-alueella. Tähän virta-alueeseen vaikuttavat lämpöreleen valmistajan ohjeistus, jossa huomioidaan yleensä moottorin nimellisvirta, laukaisuaika ja lämpötilan korjauskerroin. Moottorinsuojakatkaisijoihin voidaan liittää myös lisäosia,

kuten apukosketinlohko, ilmoituskosketinlohko ja alijännitelaukaisin. Yleisemmin käy- tetty on alijännitelaukaisin. Alijännitelaukaisinta käytetään silloin, kun kone ei saa käynnistyä itsestään jännitekatkoksen jälkeen. Alijännitelaukaisin estää moottorinsuoja- katkaisijaa menemästä kiinni, mikäli syöttöpuolella ei ole riittävää jännitettä (Ahoranta 2005, 119).

KUVA 10. Kaksi erityyppistä mekaanista moottorinsuojakatkaisijaa (Ahoranta 2005, 119)

6.2 Purkurobotin sähköjärjestelmä

6.2.1 Komponenttien sijoitus

Standardien edellyttämällä tavalla, työssä käsiteltävän Avant robot 185 sähkölaitteisto on jaoteltu korkeanjännitteen ja matalanjännitteen puoleen. Molempien puolen sähkö- komponentit ovat sijoitettuna tiiviiseen sähkökoteloon. Koteloiden sisälle ei pääse muu- ta kuin ruuvimeisseliä apuna käyttäen. Kuvassa 11 näkyvän pehmokäynnistimen etu- paneelille on tehty kansi, joka voidaan avata ilman työkaluja mahdollisia säätöjä varten.

Molemmat sähkökotelot ovat sijoitettuna niin, että ne ovat suojassa mahdollisilta me- kaanisilta iskuilta. Sähkökoteloiden johdot irtoavat helposti pikaliittimillä, mikä helpot- taa huoltamista.

KUVA 11. Koneen 400 V puolen sähkökotelon sijoitus (Kuva: Juuso Tikka 2013)

6.2.2 Purkurobotin sähkömoottori

Oikosulkumoottori eli epätahtikone on valittu robottiin sen edullisen hinnan ja luotetta- vuuden vuoksi. Tällä hetkellä purkurobottiin on saatavana kahta eri moottoria. Molem- mat moottorit ovat Bevin valmistamia nelinapaisia oikosulkumoottoreita, joiden nimel- lispyörimisnopeus on 1500 rpm. Molemmat moottorit ovat kolmioon kytkettyjä ja niitä käytetään 400 V pääjännitteellä. Pienempi moottori SKg 160L-4 on teholtaan 15 kW ja valmistajan ilmoittama nimellisvirta koneelle on 27,7 A (Lehtinen 2013).

Purkurobottiin saatava isompi moottori SKg 180M-4 sen sijaan on teholtaan 18,5 kW ja valmistajan ilmoittama nimellisvirta moottorille on 32,8 A, jonka vuoksi konetta käyte- tään tällä hetkellä 63 A sulakkeen takana. Tämä aiheuttaa ongelmia purkutyömailla, sillä 63 A sulaketta ei käytännössä ole saatavissa mistään työmailla. Tämän vuoksi ha- luttiin selvittää, kuinka paljon isompi moottori ottaa virtaa kuormitettuna (Lehtinen 2013).

Ohessa on esitettynä laskuja pumpun tarvitsemasta tehontarpeesta, kierrosnopeudesta ja momentin tarpeesta. Lisäksi ohessa on laskettu nykyisten sähkömoottorien nimellismo- mentit.

Nykyisten sähkömoottorien nimellisellä pyörimisnopeudella tuottamat nimellismomen- tit on laskettu kaavalla 1.

(1)

, missä

Tn on nimellismomentti Pn on nimellinen akseliteho n on nimellispyörimisnopeus

Tästä voidaan laskea nimellismomentit moottoreille:

Pumpun tarvitsema momentti saadaan kaavasta 2

(2)

, missä

T_p on pumpun tarvitsema momentti V_k on kierrostilavuus

p on työpaine

Tästä voidaan laskea pumpun tarvitsema momentti käyttämällä pumpun nimellisiä arvo- ja:

Pumpun tarvitsema kierrosnopeus voidaan laskea kaavalla 3

(3) ,missä

Q on tilavuusvirta

Tästä voidaan laskea pyörimisnopeus, joka sähkömoottorin tulee tuottaa:

Pumpun tarvitsema akseliteho voidaan laskea kaavalla 4

(4)

Tästä saadaan pumpun tarvitsemaksi tehoksi:

Laskut ovat laskettu maksimituotolla ja maksimipaineella, mutta esimerkiksi pumpun tarvitseman tehon laskennassa ei ole käytetty hyötysuhteita. Tuloksista nähdään, että mikäli koneessa käytetään maksimi tilavuusvirtaa ja maksimi työpainetta ei isompikaan moottori pysty vastaamaan kuorman tarvitsemaan tarpeeseen. Vastaavanlaisissa purku- koneissa ohjeistuksena yleensä on, ettei pumpun maksimi paineen ja maksimi tuoton yhtäaikainen käyttö ole mahdollista, sillä moottori ylikuormittuu.

6.2.3 Purkurobotin pehmokäynnistin

Pehmokäynnistimenä toimii AAB PSR, jonka nimellinen käyttövirtavirta on 45 A ja jännitekestoisuus 600 V. Pehmokäynnistimen käynnistysvirran kapasiteetti on 180 A.

Lisäksi pehmokäynnistimessä on 24 V tasajännite, joka toimii apujännitteenä (Ei julki- nen lähde).

Moottoria käynnistettäessä kytkeytyy ensin pääkontaktorille jännite, kuten kuvasta 12 nähdään. Parametreista riippuen 0,5…1 sekunnin kuluttua kytketään stop linjaan jänni-

te. Edelleen tästä 0,5…1 sekunnin kuluttua kytketään run linjaan jännite. Tämän jälkeen 1..2 sekunnin kuluttua run linjasta voidaan katkaista ohjausjännite, sillä pehmokäynnis- timen oma pitopiiri pitää run linjan jännitteellisenä. Kun pehmokäynnistin saavuttaa huippunsa ja moottori pyörii nimellisellä pyörimisnopeudellaan, aktivoituu pehmo- käynnistimen TOR-lähtö ja hydrauliikkaa voidaan ohjata. Moottorin sammutus hoide- taan myös pehmokäynnistimellä. Kun moottorin kytkin käännetään stop asentoon, kat- kaistaan ohjaus käynnistimen stop linjasta. Riippuen parametrien asettelusta katkaistaan virta myös pääkontaktorilta noin viiden sekunnin kuluttua (Ei julkinen lähde).

KUVA 12. Piirikaavio pehmokäynnistimestä (Avant tecno 2012)

Moottoria suojaamassa on lämpörele, joka sijaitsee ennen pehmokäynnistintä. Lämpöre- leen lauetessa, katkaistaan pehmokäynnistimen stop linjasta jännite, jolloin moottori pysähtyy. Lämpörele kuittaantuu itsestään, kun se on jäähtynyt riittävästi. Välttääkseen moottorin itsestään käynnistymistä lämpöreleen jäähdyttyä, tulee pääkontaktorilta kat- kaista ohjaus (Ei julkinen lähde).

6.2.4 Käyttöliittymä

Laitetta ohjataan kauko-ohjaimella, joko langattomasti tai langallisesti. Kummassakin tapauksessa rajapintana Epec:n järjestelmään toimii CANOpen väylä. Ohjaimella kye- tään ohjaamaan kaikkia laitteen toimintoja. Ohjaimessa on lisäksi hätäpysäytys painike, joka pysäyttää kaikki laitteen liikkeet katkaisemalla sähkönsyötön pumppua pyörittäväl- tä sähkömoottorilta. Hätäpysäytys painike ei kuitenkaan katkaise virtoja ohjausjärjes- telmältä (Avant purkukoneen näyttö 2012, 8).

Laitteen konfigurointi ja ylläpito suoritetaan laitteeseen liitetyllä huoltonäytöllä. Huol- tonäytöllä voidaan tehdä järjestelmään muun muassa konfigurointi, I/O-moduulien oh- jelmien päivitys ja muuttaa laitteen parametreja. Perusnäytöstä nähdään lisäksi koneen käyttötunnit, huoltotunnit ja hydrauliikkaöljyn lämpötilan sekä työ- ja LS-paine (Avant purkukoneen näyttö 2012, 12,13).

Näyttö pitää lisäksi jatkuvaa viestilokia, mistä näkee jatkuvana viimeiset 1000 tapahtu- maa. Viestilokista voidaan näin lukea onko hälytys vielä päällä, koska hälytys on annet- tu ja moduuli, miltä hälytys on tullut. Hälytyksiin sisältyy myös yksilöllinen hälytys- koodi. Näytöltä voidaan myös katsoa väylän tila (Avant purkukoneen näyttö 2012, 27).

6.2.5 CANOpen

CAN on sarjaväylä, jota hyödynnetään paljon automaatiossa. Väylässä viestiä ei välitetä yhdelle tietylle moduulille vaan viesti välitetään koko väylään. Moduulit voivat täten tunnistaa viestissä olevasta tunnisteesta, kuuluuko viesti sille. Tämä mahdollistaa yhtä- aikaisen tiedonvälittämisen kaikille väylässä oleville laitteille. CAN-väylässä on lisäksi prioriteetit tunnisteille, mikäli useita viestejä lähetetään samanaikaisesti, välitetään kor- keamman prioriteetin omaava viesti ensin. CAN-väylä koostuu kahdesta johtimesta CAN-High ja CAN-Low ja niiden päissä sijaitsevista päätevastuksista, kuten kuvassa 13 on esitetty. (Farsi, Barbosa 2000, 41).

KUVA 13. Lohkokaavio CAN-väylästä (Farsi, Barbosa 2000, 43).

Laitteen väylänä toimii CANOpen, joka on eräs CAN-väylän sovelluskerroksen proto- kolla. Väylän tiedonsiirtonopeus on 250 kbps ja se koostuu neljästä I/O-moduulista.

Päämoduuli eli master, sijaitsee koneen rungossa, missä suurin osa laitteen komponen- teista ja tekniikasta sijaitsee. Moduuli ohjaa teloja, tukijalkoja ja pumppuja. Moduuli on Epecin valmistama Epec 2020 4G koneenohjaukseen suunnitellusta I/O-moduuli (Ei julkinen lähde). Moduuli on suunniteltu erityisesti hydrauliikkajärjestelmien ohjauk- seen. Moduulia voidaan ohjelmoida Codesys ohjelmointiympäristön avulla, joka on PLC-pohjainen (Epec 2020 Control unit esite).

Tornissa sijaitsee vastaavanlainen Epecin 2020 4G I/O-moduuli kuin alustassakin. Tor- nissa sijaitseva moduuli on slave-tyyppinen moduuli ja se ohjaa puomia, valoja sekä lisälaitteita. Muita moduuleita väylässä ovat huoltonäyttö ja kauko-ohjain. Myös kauko- ohjaimen lähettimen (HMI) ja vastaanottimen (RMI) välistä yhteyttä (CAN 2) valvo- taan. Mikäli yhteydessä huomataan vika, annetaan tästä ilmoitus käytäjälle (Avant pur- kukoneen näyttö 2012, 8). Kuvassa 14 on esitetty periaatekuva laitteen robotin CAN- väylästä.

KUVA 14. Periaatekuva laitteen CAN-väylästä. (Epec 2010, 8)

Moduulit valvovat omaa tilaansa lähettämällä toisilleen niin sanottua heartbeatia, joka vaihtaa tilaansa 100 ms välein. Moduulit tutkivat tämän heartbeatin avulla onko moduu- li toiminnassa vai ei. Mikäli järjestelmä havaitsee vian moduulissa, annetaan siitä häly- tys merkkilampulla. Lisäksi moduulit valvovat omien lähtöjensä tilaa oikosulun ja oh- jaamattoman tilan varalta (Ei julkinen lähde)

Väylältä voidaan myös lukea huoltotyökalun avulla kaikkien DI, DO sekä käytössä ole- vien AI-, PWM-, PI- ja FB-pinnien analogia arvot 8 bittisenä, jotka moduulit lähettävät.

Moduulit lähettävät tämän lisäksi oman lämpötilansa väylälle. Alustassa sijaitseva mas- ter-moduuli valvoo tornin ja alustan välillä sijaitsevan pyörivän liittimen kuntoa tutki- malla liikennettä väylässä CAN1. Mikäli virheellisten viestien suhteellinen määrä fra- men ja towerin välillä kasvaa yli sallittujen rajojen, annetaan tästä huoltokehoitus (Ei julkinen lähde).

7 HYDRAULIIKKA

7.1 Pumppu

Laitteen hydrauliikkajärjestelmä on venttiiliohjattu avoinjärjestelmä, jossa järjestelmäs- tä palaava öljy johdetaan takaisin säiliöön. Hydrauliikkajärjestelmä saa voimansa pum- pulta, joka taasen saa käyttövoimansa sen akseliin liitetyltä sähkömoottorilta. Pumppu on Sauer-Danfoss:n valmistama suoraroottorimäntäpumppu, joka on varustettu LS- säädöllä (Lehtinen 2013). Pumpun työpaine on 250 bar ja pumpun tilavuus on 45 cm³. (Sauer-Danfoss 2013, 42) Kuvassa 15 on esitetty kuva pumpun poikkileikkauksesta.

KUVA 15. Poikkileikkaus koneen suoraroottorimäntäpumpusta (Sauer-Danfoss 2013, 42)

Staattori- eli vinolevypumppu on rakenteeltaan yksinkertainen ja kierrostilavuutta voi- daan säätä nopeasti. Pumpun suurimmat sallitut käyttöpaineet ovat usein 20-35 MPa ja pyörimisnopeus pumpulla voi olla 1500-3000 rpm. Pumpun kokonaishyötysuhde on usein likimain 0,9, jota heikentää pumpun hydrostaattinen laakerointi. Pumpun sovel-

luskohteita ovat esimerkiksi erilaiset nostimet, puristimet ja takomakoneet (Kauranne, Kajaste & Vilenius 2008, 170).

Suoraroottoripumpussa sylinteriryhmä pyörii käyttöakselin mukana. Pumpussa oleva kiinteä vinolevy vaikuttaa mäntien asemaan sylinteriryhmän sisällä. Männät ovat kiinni- tettynä vinolevyssä olevaan liukutasoon. joka liukuu pitkin vinolevyä pysyen jatkuvassa kosketuksessa levyn kanssa. Kun sylinteriryhmä pyörii, saa vinolevy aikaiseksi mäntien edestakaisen liikkeen. Koska vinolevy ja liukutaso ovat jatkuvassa kosketuksessa, käy- tetään niiden kosketuspinnassa hydrostaattista laakerointia, jolla kevennetään mäntä- voimia ja vähennetään kitkaa. Näin saadaan ehkäistyä hankauksesta aiheutuvaa kulu- mista (Kauranne, Kajaste & Vilenius 2008, 170).

Pumpussa on LS-säätö eli kuormantuntevasäätö, joka vastaa toimilaitteen tarvitsemaan toimilaitteen tarvitsemaan kuormapaineeseen ja tuottoon. Tämä edellyttää, että pumpul- le tuodaan tieto paineesta, joka kulloinkin valitsee eri kuormitustilanteissa. LS-säätö tuottaa vähiten hukkatehoa ja -lämpöä järjestelmään, sillä järjestelmässä ei tuoteta yli- määräistä tilavuusvirtaa eikä tarvittavaa kuormapainetta ylitetä kuin tyhjäkäyntipaineen verran yli. Kuvassa 16 on esitetty periaatekuva LS-säädöstä (Paavilainen H 2008, 16).

KUVA 16. LS-järjestelmässä tuotetu teho (Paavilainen 2008, 16)

7.2 Liikkeiden ohjaus

Robotin liikkeitä ohjataan proportionaaliventtiileillä. Nämä venttiilit ovat jatkuvatoimi- sia, jotka saavat tulevan ohjaussignaalinsa laitteessa olevilta CAN-moduleilta. (Ei julki- nen lähde) Proportionaaliventtiilit seuraavat lähtösignaalia jatkuvasti ja portaattomasti.

Venttiilit siis ohjaavat tilavuusvirtaa tai painetta, mikä mahdollista toimilaitteiden no- peuden, aseman ja momentin jatkuvatoimisen ohjauksen (Kauranne, Kajaste & Vilenius 2008, 327).

Proportionaalisessa venttiilissä säätö tapahtuu sähköisellä säätimellä, jota kutsutaan proportiomagneetiksi. Ohjauselektroniikka on sijoitettu yleensä venttiilin yhteyteen ja ohjaus voi olla joko esiohjattu tai suoraan ohjattu. Proportionaalimagneetissa voima on suoraviivainen koko käyttöalueella toisin kuin normaalissa kytkentäkelassa. Proportio- naalimagneetti voi olla joko voimaohjattu tai asemaohjattu. Proportionaalimagneetti kestää järjestelmässä olevan paineen, sillä sen ankkuritila on öljytäytteinen. (Keinänen, Kärkinen 2005, 287).

Kun järjestelmässä ei ole takaisinkytkentää eikä korjausta, puhutaan ohjaus- eli avoimen piirin järjestelmästä. Ohjausjärjestelmälle annetaan käskyarvo eli ohjaussignaali. Ohja- ussignaali tuodaan venttiilin kelalle eli proportionaalimagneetille. Proportiomagneetilla ohjaussignaali muunnetaan ja vahvistetaan hydrauliseksi lähtösignaaliksi asetuslaitteen avulla. Lähtösignaali saadaan aikaan, kun venttiilin kelalle tuodulla ohjaussignaalilla säädetään venttiilin karan liikettä. Tällöin kara siirtyy ja asettuu annettua käskyarvoa vastaavaksi. Nyt venttiili läpäisee tilavuusvirtaa, joka riippuu venttiilin avautumasta (Kauranne, Kajaste & Vilenius 2008, 328). Ohjaustavasta on esitetty periaatekuva ku- vassa 17, missä toimilaitteena toimii hydrauliikkamoottori.

KUVA 17. Periaatekuva avoimen piirin järjestelmästä (Keinänen, Kärkinen 2005, 287)

Robotin kauko-ohjaimesta voidaankin kalibroida ohjainsauvat ja potentiometrit, jolloin operaattorin antamat käskyt vastaavat tarkasti haluttuihin toimintoihin (Ei julkinen läh- de). Hydraulisten toimielinten säätö on lisäksi mahdollistanut koneessa käytettävissä olevan ryömintätilan. Ryömintätilan ollessa kytkettynä robotin liikkeet toimivat nor- maalia hitaammin. Liikkeiden maksimi nopeutta rajoitetaan parametrilla, joka määrää montako prosenttia liikkeen normaalista maksimi ohjauksesta on rajoitettu maksimi ohjaus. Ryömintätilaan voidaan asettaa viisi eri tasoa, joista jokaisen tason suuruus on erikseen määriteltävissä parametrilla (Ei julkinen lähde).

7.3 Jäähdytyspiiri

Öljyn jäähdytysiirissä on alun perin ollut tuuletin, joka on käynnistynyt vasta öljyn saa- vuttaessa tarpeeksi korkean lämpötilan. Finmacin koneissa huomattiin kuitenkin ongel- mia lämpötilojen kanssa. Jäähdytys sekä koneen runko on suunniteltu kokonaan uudel- leen. Nyt öljyn jäähdytyksen tuuletin on sijoitettuna sähkömoottorin kanssa samalle akselille. Näin ollen öljyn jäähdytys on jatkuvalla pakkokäytöllä ja toimii aina kun säh- kömoottori pyörii (Lehtinen 2013)

7.4 Ajomoottorit

Robottia liikutellaan teloilla, jotka saavat voimansa kahdesta orbitaalimoottorista. Mo- lemmille teloille on oma moottori ja niitä voidaan ohjata erikseen kauko-ohjaimesta (Ei

julkinen lähde). Orbitaalimoottori kuuluu sisäryntöisiin hammaspyörämoottoreihin.

Moottori koostuu roottorista ja sitä ympäröivästä sisähammastetusta staattorikehästä.

Roottori pyörii planetaarisesti staattorin sisällä, jolloin roottorin nokat pysyvät jatkuvas- sa kosketuksessa staattoriin. Kun moottoriin ohjataan öljyä, akselilla oleva jakokara ohjaa öljyn sisä- ja ulkopyörän välisiin tiloihin. Koska jakokara on kiinnitettynä mootto- rin akseliin, pyörii se roottorin mukana, kytkien kunkin tilavuuden vuorollaan lähtö- ja tuloliitäntöihin. Näin saadaan jatkuva pyörimisliike (Kauranne, Kajaste & Vilenius 2008, 188). Orbitaalimoottorista on esitetty rakennekuva kuvassa 18.

KUVA 18. Sauer-Danfossin orbitaalimoottori (Kauranne, Kajaste & Vilenius 2008, 188).

8 JÄRJESTELMÄN OTTAMAN VIRRAN MITTAUS

8.1 Työn taustatieota

Moottorin sulakesuojausta varten järjestettiin mittausinstallaatio Avant tecnon tiloissa 15.2.2013. Tarkoituksena oli mitata robotin käynnistysvirtaa sekä virtaa, jonka järjes- telmä ottaa kuormituksessa. Kokeet suoritettiin sekä 15 kW koneella ja 18,5 kW koneel- la. Lisäksi koneiden hydrauliikan tuottamaa painetta ja tuottoa mitattiin. Virtamittaukset suoritettiin Fluke 435 tehoanalysaattorilla.

Koneen ottama virta mitattiin suoraan kolmivaihekaapelista. Tämä onnistui käyttämällä Avant tecnon tarjoamia kytkentäkoteloita. Näin mittarin jännitepiuhat saatiin liitettyä banaaniliittimillä vaiheisiin. Vaihevirrat saatiin mitattua virtapihtejä apuna käyttäen, kun toisen laatikon kansi avattiin, jossa vaihejohtimet olivat erillisinä. Kuvassa 19 on esitetty mittauskytkentä käynnistysvirtojen mittaamiseksi.

KUVA 19. Kuva mittauksesta (Kuva: Juuso Tikka 2013)

Hydraulista painetta ja tuottoa mitattiin vasaralle menevästä letkusta. Tätä on havainnol- listettu kuvassa 20. 18,5 kW koneessa käytettiin isompaa vasaraa ja 15 kW koneessa

pienpää vasaraa. Tilavuusvirta määräytyi hydrauliikka työkalujen mukaan, jotka valmis- tajan mukaan olivat 20–70 l/min isommalla vasaralla ja pienemmällä vasaralla 16–50 l/min. Vasaroiden valmistajan ilmoittamat työpaineet isommalle vasaralle oli 110-150 bar ja pienemmälle vasaralle 100-140 bar. Vasaroiden ilmoitetut tehot ovat 17,5 kW ja 11,7 kW. Järjestelmää kuormitettiin murskaamalla betonia, jota käytetään muun muas- sa rakennusten runkopalkkeina. Kyseessä oli siis äärimmäisen lujarakenteista betonia.

KUVA 20. Hydrauliikan painetta ja tuottoa mittaava anturi kiinnitettynä robotin puo- miin (Kuva: Juuso Tikka 2013)

8.2 Käynnistysvirrat

Molemmista koneista mitattiin käynnistysvirrat. Valitettavasti meillä ei ollut tilaisuutta mitata käynnistysvirtoja koneen ollessa kylmänä. Kylmäkäynnistyksessä koneiden öljyn viskositeetti olisi tällöin ollut pienempi ja moottorin käynnistyminen olisi ollut ras- kaampaa. Tämä olisi kuormittanut moottoria enemmän ja nostanut käynnistysvirtaa. Nyt käynnistysvirrat mitattiin huoneenlämpöisenä.

8.2.1 15 kW koneen käynnistysvirta

15 kW moottorin käynnistysvirta oli maksimissaan 110,32 A. Tämä oli ensimmäisen vaiheen virta. Muiden vaiheiden virrat olivat 83,46 A ja 70,95 A. Ensimmäisen vaiheen

isompi kuormitus johtuu pehmokäynnistimestä, joka on kaksoistyristoriohjattu. Näin ollen osa ensimmäisen vaiheen virrasta muodostuu toisen ja kolmannen vaiheen sum- mavirrasta. Moottoria kokeiltiin käynnistää erilaisilla pehmokäynnistimen asetuksilla, mutta tämä ei merkittävästi vaikuttanut virtojen tai käynnistysajan suuruuteen. Kuvassa 21 on esitetty pehmokäynnistimen käynnistysvirrat ABB:n suosittelemilla asetuksilla.

Käynnistysaika oli näillä asetuksilla 5,8 sekuntia.

KUVA 21. 15 kW moottorin käynnistysvirrat

8.2.2 18 kW koneen käynnistysvirta

18 kW moottorin käynnistysvirta ensimmäisellä vaiheella oli maksimissaan 112,87 A.

Toisella ja kolmannella vaiheella virrat olivat 83,62 A ja 72,38 A. Arvot ovat mitattu samoilla pehmokäynnistimen asetuksilla, kuin edellä esitetyt 15 kW moottorin käynnis- tysvirrat. Käynnistysaika isommalla moottorilla oli 5,2 sekuntia. Myös tässä tapaukses- sa ensimmäinen vaihe on enemmän kuormitettu kaksivaiheisen tyristoriohjauksen vuok- si, kuten edellä jo todettiin. Myös 18 kW moottoriin kokeiltiin erilaisia pehmokäynnis- timen asetuksia tämän kuitenkaan vaikuttamatta merkittävästi virtojen suuruuteen. Tu- loksista nähdään, että moottoreiden käynnistysvirrat ovat samaa luokkaa. Tämä johtuu luultavasti siitä, että moottoreiden perässä on käynnistyksen yhteydessä likimain yhtä iso kuorma, johtuen koneissa olevasta identtisistä hydrauliikkapumpuista.

KUVA 22. 18 kW moottorin käynnistysvirrat

8.3 Kuormitusvirrat

8.3.1 15 kW koneen kuormituskoe

Koneille tehtiin kuormitusmittauksia, joissa koneella murskattiin betonia iskuvasaralla ja mitattiin järjestelmän verkosta ottamaa virtaa. 15 kW moottorilla varustetun koneen verkosta ottama virta oli suurempi, kuin moottorin nimellisvirta. 15 kW koneelta mitat- tiin myös hydraulinen paine, tilavuusvirta ja teho. Arvot mitattiin työkalulle menevästä linjasta. Tuloksista nähtiin, että vasaran ottama hydraulinen teho oli noin 13 kW, mikä on vasaran valmistajan antamaa hydraulista tehoa suurempi.

Kuvassa 23 on esitetty 15 kW moottorin kuormituksen yhden vaiheen virta. Mittaus suoritettiin kahden minuutin jaksona, jolloin kone oli kuormitettuna. Näytteenottovälinä oli yksi sekunti. Kuvasta 23 huomataan, että virta on ollut kuormituksessa maksimis- saan 37 A, ekvivalenttivirta on ollut noin 31,6 A ja tyhjäkäyntivirta noin 12 A.

Ekvivalenttivirta saadaan integroinnin kautta kaavalla 5.

(5)

, missä

Ie on ekvivalenttivirta I on moottorin ottama virta t on aika

Kuvaaja saadaan helpoiten integroitua jakamalla se osiin mittauspisteiden avulla.

KUVA 23. 15 kW moottorin yhden vaiheen kuormituksen aikana ottama virta

8.3.2 18,5 kW koneen kuormituskoe

18,5 kW sähkömoottorille tehtiin myös vastaavanlainen kuormituskoe, joka kesti myös kaksi minuuttia. Mittauksen virran on esitetty kuvassa 24. Kuvasta nähdään, että kuor- mituksen aikana moottori on ottanut verkosta pääasiassa 31 A virtaa. Kuvassa esiintyy myös joitain suurempia virtapiikkejä kuormituksen yhteydessä, jolloin virta on käynyt jopa 36 A. Moottorin ekvivalentti virta on ollut noin 27 A ja tyhjäkäynnissä moottorin ottama virta on ollut noin noin 12 A. Myös 18,5 kW moottorin ekvivalentti saatiin las- kettua kaavalla 5.

10 15 20 25 30 35 40 45

0 50 100

L1 (A)

t(s)

15 kW A=f(t)

RMS Ekvivalentti

KUVA 24. 18,5 kW moottorin yhden vaiheen kuormituksen aikana ottama virta ajan funktiona

8.4 Johtopäätöksiä mittauksista

8.4.1 Moottoreiden kuormitus

Hydraulipuolen mittaustuloksista nähtiin, että pienemmälle vasaralle mennyt hydrauli- nen tuotto on ollut aivan pumpun ylärajoilla. Paine oli noin 130 bar. Tällöin hydraulinen tehontarve lähentelee 15 kW tehoa. Koska mittaukset otettiin vasaralinjasta, ei mittauk- sista näe puomin liikkeitä. Puomia liikutettaessa paine nousee, joka vastaavasti nostaa tehontarvetta ja aiheuttaa moottorin ylikuormituksen.

10 15 20 25 30 35 40

0 50 100 150

L1 (A)

t (s)

18,5 kW A=f(t)

RMS Ekvivalentti

Syy, miksi pienempi vasara otti suuremman tehon, kuin mitä valmistaja ilmoitti, ei ole varmuutta. Tuotekehitysinsinööri Riku Lehtisen mukaan syy on saattanut johtua siitä, että vasara on pienempi, jolloin liikkuvat massat ovat pienemmät ja iskutiheys on ollut suurempia kuin sallittu tai suurempi kuin isolla vasaralla. Myös järjestelmässä olleet kuristukset, vuodot tai painerajat ovat saattaneet vaikuttaa tähän.

Isomman vasaran hydraulimittauksista havaittiin, että isompi vasara, jolle valmistaja on luvannut isomman tehon, jää kuitenkin alakanttiin ilmoitetusta tehosta. Jotta todellisesta tehontarpeesta olisi saatu parempaa tietoa, olisi mittaukset tullut tehdä samalla koneella.

Isomman vasaran tehonpuute saattaa johtua alakanttiin jääneestä tuotosta. Tämä saattaa johtua järjestelmässä olevasta kuristuksesta, vuodoista tai mahdollisista painerajan sää- döistä.

Mitatuista tuloksista voidaan laskea moottorin kuormituksella oleva akseliteho sekä momentti. Laskut sekä kaavat ovat esitetty ohessa.

Moottoreiden kuluttamat sähköverkosta ottama teho voidaan ratkaista oheisella kaaval- la:

(6)

, missä

U on pääjännite I on vaihevirta Ps on sähköinen teho cos φ on tehokerroin

Kun tiedetään moottorien kuluttamat virrat, jännitteet sekä tehokertoimet voidaan kaa- valla 6 laskea moottorien kuluttamat sähköiset tehot.

Saaduista sähköisistä tehoista saadaan akseliteho kaavalla 6.

(6)

, missä

η on moottorin hyötysuhde

Moottorien kuormituksen aikaiset akselitehot ovat siis:

Saaduista moottorien akselitehoista voidaan laskea niitä vastaava moottorin momentti kaavalla 1.

Tuloksista nähdään, että 15 kW moottori oli tällaisessa kuormituksessa 1,32-kertaisella ylikuormituksella verrattuna nimellismomenttiin. 18,5 kW moottorin sen sijaan oli kuormituskokeissa pääsääntöisesti alle nimellismomentin, joka on 120 Nm. Myös 18,5 kW moottorin akseliteho jäi alle nimellistehon, toisin kuin 15 kW moottorin, jonka ak- seliteho oli jopa 19,9 kW.

8.5 Ratkaisut

8.5.1 Moottoreiden ylikuormituksen estäminen

Mittausten osittain epäonnistuessa, ei moottorien todellisesta virran tarpeesta ole var- muutta. Teoriatasolla laskettuna kuorma, jonka 18,5 kW moottori vielä kestäisi ilman ylikuormitusta, olisivat järjestelmän arvot seuraavanlaiset. Tilavuusvirran tulisi olla 66,15 l/min, käyttöpaineen 168 bar. Nämä arvot siis silloin, kun pumpun kierrostilavuus on 45 cm³/r. Tällöin pumpun tarvitsema teho sähkömoottorilta olisi 18,5 kW, momentti

120,3 Nm ja kierrosnopeus 1470 rpm. Näin moottori pysyisi nimellisessä pisteessä.

Laskuissa ei ole huomioitu hyötysuhteita.

Vastaavat teoreettiset arvot 15 kW moottorilla olisivat seuraavat, mikäli pumpun kier- rostilavuus on 45 cm³/r. Tilavuusvirran tulisi olla 65,7 l/min ja käyttöpaineen 137 bar.

Tällöin pumpun moottorilta tarvitsema teho olisi 15 kW, momentti 98 Nm ja kierrosno- peus 1460 rpm. Myös 15 kW moottori toimisi näin nimellispisteessään.

Mikäli pumpun kierrostilavuutta kuitenkin tiputettaisiin esimerkiksi 15 cm³/r, tippuisi tällöin pumpun tarvitsema momentti lähes puoleen. Tällöin kuitenkin pumpun tarvitse- ma pyörimisnopeus taasen kaksinkertaistuisi, jotta saataisiin 66 l/min tuotto. Tällöin tarvittaisiin kaksinapainen moottori. Kaksinapaisissa moottoreissa momentin tuotto vain on puolet huonompi, kuin nelinapaisissa moottoreissa. Eräs purkukoneiden valmistaja kuitenkin käyttää koneissaan kaksinapaisia moottoreita.

Tuotekehitysinsinööri Riku Lehtisen mukaan Sauer-Danfossilta on tulossa uusi hyd- rauliikkapumppu, jossa on mahdollista säätää pumpun tuottamaa tilavuusvirtaa. Tila- vuusvirran ja paineen mahdollistaisikin hydraulisen tehon rajoituksen ja estäisi mootto- rin ylikuormituksen. USA:n markkinoita ajatellen, tulisi asiaa tarkastella myös erilaisten sähköverkkojen näkökulmasta. Esimerkiksi nykyinen 18,5 kW moottori tuottaa 60 Hz taajuudella 22,2 kW akselitehon ja pyörii nopeudella 1770 rpm.

8.5.2 Sulakesuojaus

Työn tarkoituksena oli pohtia moottoreiden sulakesuojausta ja pohtia mahdollisia rat- kaisua näihin liittyviin ongelmiin. Näiden mittaustulosten perusteella, sekä käytön ko- kemuksen perusteella 18,5 kW moottorin voidaan hyvin laittaa 32 A gG-sulakkeen taakse. Epäselväksi tällä hetkellä jää, riittääkö 32 A sulake, kun isompi 17,5 kW vasara, ottaa suurempaa tehoa.

Mikäli moottori toimisi nimellispisteessään, kestäisi 32 A gG-sulake moottorin käynnis- tysvirran sekä itse koneen hetkellisen ylikuormitus käytön. Kuitenkin, jos koneen moot- tori on kovalla kuormituksella ja koneen takana oleviin pistorasioihin kytkettäisiin

kuormaa. Tällöin 32 A gG-sulake ei luultavasti enää riittäisi. Todennäköisesti tällaista tilannetta ei kuitenkaan tule vastaan.

32 A johdonsuojakatkaisija kestää tunnin ajan 1,13-kertaista nimellisvirtaa eli 36,16 A.

Tämä siis todennäköisesti riittäisi, mikäli moottoria käytettäisiin nimellispisteessä.

Käynnistyksen yhteydessä huippuvirta oli 112 A. Tämä on 3,5-kertainen virta sulakkeen nimellisvirtaan nähden. Pitää kuitenkin huomioida, että tämä on käynnistyksen suurin havaittu virta. Virta ei ollut koko aikaa läheskään näin suuri. Kuitenkin riippumatta oli- ko moottorin käynnistysaika kaksi vai lähes kuusi sekuntia, ei käynnistysvirroissa ollut suuria eroja. Tämän takia olisi hyvä pitää pehmokäynnistimen käynnistysaika mahdolli- simman lyhyenä, jolloin johdonsuojakatkaisijan terminen laukaisuaika ei tule vastaan.

Näiden mittausten perusteella 15 kW moottori sen sijaan ei mene 32 A sulakkeen taakse ainakaan tällä pumpulla. Lisäksi 15 kW moottori ei kestä pitkiä aikoja tällaisella kuor- mituksella. Moottorin ollessa näin suurella ylikuormituksella, aiheuttaa moottorin läm- peneminen käämieristyksen heikkenemisen ja syntyy vaara kierrosoikosululle. Jos hyd- raulista tehoa säädettäisiin niin, että moottori toimisi nimellisessä pisteessään, voitaisiin moottori kytkeä 32 A sulakkeen taakse. Tällöin moottori kestäisi hyvin kuormitustilan- teita sekä moottorin käynnistyksen.

18,5 kW koneen suojana todennäköisesti toimisi 32 A gG-sulake tai 32 A C-tyypin joh- donsuojakatkaisija. Lisäksi moottoreiden edessä oleva moottorinsuojakatkaisija toimii erinomaisena suojana moottorin ylikuumenemissuojana. Myös koneessa olevat muut sulakkeet suojaavat komponentteja ylikuormitukselta ja oikosuluilta.

Hydrauliikkajärjestelmään olisi ehkä hyvä lisätä vapaakierto, jolloin käynnistyksen ai- kana ei heti syntyisi painetta järjestelmään ja käynnistäminen tapahtuisi nopeammin, pienemmällä virralla ja pienemmällä momentilla. Vapaakierto mahdollistaisi myös öl- jyn esilämmityksen, jolloin öljyä voitaisiin lämmittää. Näin öljy olisi juoksevampaa ja käynnistyksen aikainen moottorin kuormana oleva hitausmassa pienenisi.

9 KEHITYSIDEOITA

9.1 Näytön siirtäminen kauko-ohjaimeen

Työn tarkoituksena oli myös miettiä kuinka robottia voitaisiin kehittää ja mitä voitaisiin tehdä toisin. Mielestäni esimerkiksi robotin takana olevan huoltonäyttö voitaisiin siirtää lähemmäksi operaattoria. Huoltonäyttö on liitettynä robotin CANOpen väylään ja sijoi- tettu kiinteästi koneen taakse. Huoltonäytöstä nähdään erilaisia tietoja koneesta, kuten lämpötiloja ja erinäisiä ilmoituksia. Lisäksi näytöllä voidaan parametroida robottia.

Näytöstä nähtävien tietojen vuoksi olisi hyvä, mikäli koneen käyttäjällä olisi mahdolli- suus nähdä tiedot konetta ajettaessa.

9.2 Akkuvarmennus

Koneessa ei ole tällä hetkellä minkäänlaista akkuvarmennusta ohjausjärjestelmälle, mi- käli sähköt katkeavat. Mikäli sähköt katkeavat kone jumittuu siihen asentoon, missä se sähkökatkoksen aikana oli, koska liikkeitä ei voida ohjata. Tällöin Koneen hydrauliikka öljy ei liiku mihinkään ja koneen huoltoluukkujen avaaminen saattaa olla vaikeaa. Mi- käli koneessa olisi akkuvarmennus ohjausjärjestelmälle, voitaisiin koneen proportionaa- liventtiilejä ohjata auki. Tällöin hydrauliikkaöljy pääsisi kulkemaan järjestelmässä. Näin ollen esimerkiksi koneen puomia voitaisiin käsivoimin vedättää ja siirtää parempaan asentoon.

Akkuvarmennus voitaisiin toteuttaa esimerkiksi käyttämällä tasavirta UPS ohjainyksik- köä. Tähän tarkoitukseen soveltuisi hyvin esimerkiksi PULS Dimension tuoteperheen UB10.241 DC-UPS control unit. UB10.241 on tarkoitettu varmistamaan 24 V syötön jatkuvuuden sähkökatkon tai jännitteen vaihtelun aikana. UPS-yksikössä on ylläpitola- turin ominaisuudet, kuten ylläpitolataus, jännitteen monitorointi sekä akun kunnonval- vonta. UB10.241 on teholtaan 240 W ja nimellisvirta laitteella on 10 A ja laite voidaan asentaa DIN-kiskoon, kuten kuvasta 25 havaitaan (PULS Gmbh, 2013)

KUVA 25. PULS UB10.241 DC-UPS control unit (PULS Gmbh, 2013)

UB10.241 saa syöttönsä 24 V tasajännitteestä, joka tässä tapauksessa saadaan purkuro- botin hakkuriteholähteestä. Koneen ollessa päällä ja verkkovirran ollessa kytkettynä lataa UB10.241 siihen liitettyä 12 V akkua. Kun verkkovirta menetetään ja syöttö UB10.241 katkeaa, alkaa UB10.241 UPS-yksikkö syöttämään siihen liitetystä 12 V akusta virtaa järjestelmään. UB10.241:ssä on jännitettä nostava hakkuriteholähde, joka kykenee muuntamaan 12 V akun jännitteestä 24 V jännitteen, joka vastaa järjestelmän nimellisjännitettä. Toimintaa on havainnollistettu kuvassa 26.

KUVA 26. Periaatekuva UPS-järjestelmän toiminnasta

Jotta järjestelmässä pysyisi ohjausjännite, tulisi UPS-yksiköltä tuoda jännitteet seuraa- ville liittimille. +24 V tulee kytkeä liittimiin: XAM4.4, XTM4.5 ja turvareleen liitti-

meen A1. UPS-syötön miinus tulee taas tulee kytkeä seuraaviin liittimiin: XAM4.1, XTM4.1ja turvareleen liittimeen A2.

Koska liikkeitä ei voida ohjata ilman, että moottori pyörii ja pehmokäynnistimeltä on annettu signaali siitä, milloin moottori on saavuttanut rampin huipun, tarvitsisi tämä ohittaa. UB10.241:ssä on sisäisiä releitä, joita apuna käyttäen tämä voitaisiin toteuttaa.

UB10.241 buffering-lähdön kosketin sulkeutuu aina, kun siltä katkeaa virran syöttö.

Tällä lähdöllä voitaisiin ohjata toista relettä, joka yhdistäisi tarvittavat lähdöt.

Releeltä, jota UB10.241 buffering-lähtö ohjaa tarvitsisi tuoda sulkeutuvilta koskettimil- ta jännite pehmokäynnistimen A1-lähtöön ja miinus A2-lähtöön, jolloin liikkeitä voitai- siin ohjata. Vaihtoehtoisesti releeltä voitaisiin tuoda signaalit suoraan moduulin liitimil- le XAM1.9 ja XAM1.18. Moduulin AM liitimet XAM3.16 ja XAM3.11 tulisi myös yhdistää keskenään releen avulla.

UB10.241 voitaisiin sijoittaa esimerkiksi 24 V koteloon. Huomioida tarvitsisi haihdut- taako kotelo tarpeeksi lämpöä. Myös akku voitaisiin sijoittaa 24 V-koteloon, mikäli se sinne mahtuu. Mikäli akku ei mahdu koteloon, voidaan sille tehdä teline ja sijoittaa se 24 V-kotelon läheisyyteen etukatteen alle. Valmistajan mukaan UPS-yksikkö lataa ai- noastaan suljettuja huoltovapaita VRLA lyijyakkuja. Valmistaja suosittelee omia akku- jaan, joita saa lisävarusteena ja ne voidaan kiinnittää DIN-kiskoon. Todennäköisesti myös muun valmistajan vastaavat akut soveltuisivat käyttöön.

Stroman Oy:n sähkösuunnittelijan Tuomo Rinta-oppaan mukaan itse moduulit ottavat korkeintaan vain muutaman sata milliampeeria. Proportionaaliventtiilien kelat taasen ottavat noin 500 mA – 1000 mA. Tämän hetkisen hakkuriteholähteen ilmoitettu teho on 480 W ja huipputeho 720 W. Tehon tarve siis tuskin tulee nousemaan näin korkeaksi, sillä samalla kerralla ei ohjata montaa venttiiliä. UPS-yksikön ilmoitettu ulostulovirta on 10 A. Tämä virta riippuu kuitenkin akun varaustilasta, eikä virta tule olemaan 10 A ellei akku ole hyvin tyhjä. Näin ollen nykyinen hakkuriteholähde riittäisi antamaan te- hoa myös UPS-yksikölle.

UB10.241 maksaa noin 300–350 €. Tähän pitäisi vielä lisätä akun hinta sekä tarvittavan releen hinta, jolloin tämä ominaisuus tulisi maksamaan noin 400 € riippuen hyvin pit- kälti akusta. Toinen vaihtoehto olisi ostaa PULS:n UB10.241-N1, jossa on jo valmiiksi akku. Akun kapasiteetti on tosin puolet ajattelemastani akusta ja on kooltaan 5 Ah. Hin-